Преобразователи энергии (стр. 6 )

Электродинамическая энергия, получаемая при протекании обратимых химических реакций, при изотермно-изобарном процессе должна быть равна, как показали Гиббс и Гельмгольц, изменению свободной энтальпии, т. е. – , но (так как тепло отдается сис­темой), следовательно, .

Следует помнить, что тепловой эффект реакции сам по себе будет отрицательным, если при реакции выделяется тепло, и положительным, если оно поглощается.

Таким образом, в реакциях с выделением тепла, где число молей газообразной фазы возрастает и, следовательно, а первый член становится положительным, . В противоположном случае и , а когда число молей при реакции не меняется, то и и .

При электродинамическая энергия в топливных элементах получается не только за счет химической энергии топлива, но и за счет тепловой энергии , черпаемой из окружающей среды. При полной тепловой изоляции топливный элемент будет охлаждаться. При химическая энергия частично превращается в электрическую, а частично в тепловую , которая рассеивается в окружающей среде. При полной тепловой изоляции топливный элемент будет нагреваться.

При составлении точного баланса энергии следует учитывать необратимые потери в топливном элементе (тепловые, омические и т. п.), которые при изотермическом протекании процессов можно учесть добавлением в правую часть приведенного выше уравнения члена , где – сумма возрастаний энтропии за счет указанных потерь. Тогда

.

В теоретических расчетах, вследствие трудности расчета необратимыми потерями обычно пренебрегают.

Тогда выражение КПД топливного элемента можно написать в виде:

,

откуда следует, что может быть больше, меньше и равным 100 %. Превышение 100 % при в реакции с выделением тепла, т. е. при отрицательной величине , объясняется не совсем строгим определением КПД, так как в качестве затраченной энергии берется только тепловой эффект реакции, без учета тепла, поглощаемого из окружающей среды.

Практически наиболее совершенные топливные элементы позволяют получить КПД до 60–80 %, т. е. более высокий, чем любые другие преобразователи ядерной и химической энергии.

9. Преобразователи возобновляемой механической энергии

9.1. Преобразователи ветровой энергии

Причина, перерождающая воздушные течения – неравномерный нагрев отдельных участков Земли. Когда Солнце нагревает некоторую часть поверхности Земли интенсивнее, чем окружающее пространство, воздух стремится переместиться. При этом теплые слои поднимаются вверх, а их место занимают более холодные. Движущиеся воздушные массы, воздушные течения обладают большими запасами механической энергии. Ветроэлектрические станции (ВЭС) предназначены для того, чтобы превратить кинетическую энергию ветра в энергию вращения ротора генератора.

В то время как в развитых странах ветроэнергетическая отрасль быстро и мощно развивается, Россия значительно отстает в эффективности энергоснабжения и энергосбережения. Возобновляемые источники энергии все вместе дают менее 0,1 % вырабатываемой в стране энергии. ВЭС могли бы работать на огромных пространствах России высокоэффективно, ведь наша страна обладает мощным ветроэнергетическим потенциалом, оцениваемым в 40 млрд. кВт-ч электроэнергии в год. Сейчас в стране строится несколько ветроэнергетических комплексов, в том числе и демонстрационных. Например, в ноябре 2002 года начала работать на сеть ВЭС в маловетреной Башкирии (мощность 2,2 МВт). Общая установленная мощность всех российских ВЭС составляет около 8 МВт.

Сегодня в мире широко распространены крыльчатые ветродвигатели. Встречаются еще карусельные, барабанные и некоторые другие оригинальные конструкции.

Крыльчатые ВЭС (их еще называют ветродвигателями традиционной схемы) представляют собой лопастные механизмы с горизонтальной осью вращения. Ветроагрегат вращается с максимальной скоростью, когда лопасти расположены перпендикулярно потоку воздуха. Поэтому в конструкции предусмотрены устройства автоматического поворота оси вращения: на малых ВЭС – крыло-стабилизатор, а на мощных станциях, работающих на сеть, – электронная система управления рысканием. Небольшие крыльчатые ВЭС постоянного тока соединяют с электрогенератором напрямую (без мультипликатора), мощные станции оснащают редуктором.

Лопасти ветроколеса сужаются к концу (например, от 3 м до 45 см) и имеют переменный угол заклинивания j, то есть винтовую поверхность (рис. 9.1.1). Это связано с тем, что концы лопастей вращаются со значительно большей линейной скоростью (80 м/с для больших ВЭС) по сравнению с их основаниями. Угол атаки α также меняется за счет косого удара. Правильным подбором скорости вращения и угла заклинивания, что в конечном итоге определяет наивыгоднейший угол атаки, а также точным исполнением профиля лопастей достигается максимальный коэффициент использования энергии ветра – 46 %.

 

α

Рис. 9.1.1. Лопасть ветроколеса

Мощность ВЭС зависит от скорости ветра и размаха лопастей ветроколеса (см. табл. 9.1.1).

Таблица 9.1.1

Зависимость мощности ВЭС от скорости ветра и размаха

лопастей ветроколеса

Диаметр ветро-колеса	Мощность ВЭС, кВт
Скорость ветра, м/с
4	5	6	7	8	9	10 и более
2	0,04	0,08	0,1	0,23	0,345	0,36	-
4	0,17	0,33	0,58	0,92	1,38	1,38	-
8	0,69	1,34	2,32	3,7	5,5	5,5	-
10	1,08	2,1	3,63	5,75	8,6	8,6	-
12	1,55	3,03	5,25	8,25	12,4	12,4	-
18	3,48	6,6	11,8	18,6	28,8	39,5	54,6
30	9,6	18,9	32,6	51,6	77,3	110	151,1

Коэффициент использования энергии ветра у крыльчатых ВЭС (чаще всего их ветроагрегаты бывают двух - или трехлопастными) намного выше, чем у других ветряков, недаром они занимают более 90 % рынка.

Блок-схема простейшей ВЭС представлена на рис. 9.1.2. Ветроколесо (ВК) преобразовывает кинетическую энергию естественного ветрового потока в механическую энергию вращения главного вала ветрогенератора, которая затем преобразуется синхронным генератором в электрическую энергию переменного тока. Далее переменный ток с помощью зарядного устройства превращается в постоянный ток для зарядки аккумуляторной батареи. Затем постоянный ток из аккумуляторной батареи с помощью инвертора, которым оснащен ветрогенератор, преобразуется в однофазный переменный ток 220 В, 50 Гц.

ВК		Генератор		Энергоблок		Потребитель
		Аккумуляторные батареи

Рис. 9.1.2. Блок-схема ВЭС

Проблемы, связанные с работой ВЭС, успешно решаются. Конструкторам удалось снизить уровень шума и вибраций подбором скорости вращения ветроколес и совершенствованием профилей лопастей. Благодаря этим мерам уменьшился срыв концевых потоков, так называемых вихревых шнуров. Был найден способ борьбы с еще одним недостатком ВЭС: чтобы птицы не попадали под вращающиеся лопасти, ветроколеса стали ограждать сетчатым кожухом.

9.2. Преобразователи гидроресурсов

Гидравлическая энергия. Водные ресурсы земного шара огромны. Запасы пресной воды на Земле составляют менее 2 % от общего объема гидросферы. Речные воды составляют лишь тысячные доли процента объема пресных вод гидросферы. Но их отличительной чертой является ежегодная возобновляемость.

Гидравлическая энергия водных ресурсов рек представляет собой работу, которую совершает текущая в них вода.

Вода с поверхности рек испаряется, пары перемещаются воздуш-ными течениями в высокие слои атмосферы, где конденсируются и выпадают в виде осадков на сушу, что является источником питания рек. Процесс циркуляции воды на земном шаре, называемый круговоротом воды в природе, осуществляется непрерывно.

Силой, осуществляющей работу водяного потока, является вес воды. Действие силы воды определяется падением водотока, т. е. разностью уровней воды в начале и конце рассматриваемого участка (рис. 9.2.1).

Если падение участка реки длиной L составляет H при расходе воды , то работа текущей воды в течение 1 с (т. е. мощность водотока N) составляет:

где r – плотность воды, кг/м3; g – ускорение свободного падения, м/с2 .

Рис. 9.2.1. Схема водотока

Так как обычно в энергетике мощность измеряется в кВт, то

.

Энергия водотока

кВт-ч,

где – объем используемого стока, м3.

Эта зависимость оценивает потенциальные или теоретические гидроэнергоресурсы (без учета потерь стока и водной энергии при ее преобразовании в электрическую). Расход воды для каждого участка реки принимается по среднегодовым значениям расходов в начальном и конечном створах (для лет с обеспеченностью стока в 50 и 95 %).

Одним из элементов гидроэлектростанций (ГЭС) является плотина, создающая водохранилище и перепад уровней воды. Водохранилище является сводным аккумулятором потенциальной энергии рек. Вода под напором, создаваемым плотиной, направляется в водовод, который заканчивается турбиной. Турбина преобразовывает механическую энергию движения потока в механическую энергию вращения вала, к которому присоединен ротор генератора. Генератор преобразует механическую энергию вращения вала в электрическую энергию. Для предотвращения водовода от засорения на его входе устанавливается защитная сетка.

Определению потенциальных энергоресурсов каждой реки предшествует составление ее водно-энергетического кадастра, включающего общее описание реки и бассейна, имеющиеся исходные данные по гидрометрии, гидрологии, топографии, инженерной геологии и др. По результатам сроится кадастровый график, т. е. графическое представление гидроэнергетических ресурсов реки. График (рис. 9.2.2) содержит продольный профиль реки 1, графики нарастания значений водосборной площади 2 в тыс. км2, среднемноголетние расходы воды 3 в м3/с, удельные мощности 4 каждого участка реки в кВт/км.

Рис. 9.2.2. Кадастровый график гидроэнергетических ресурсов реки

Суммирование потенциальной мощности по участкам реки определяет ее общую мощность, т. е. потенциальные гидроэнергоресурсы.

Недоиспользование потенциальных гидроресурсов происходит из-за потерь воды в водохранилищах (забор для различных нужд), потерь напора в водопроводящих сооружениях, потерь энергии при ее преобразовании турбинами в механическую и генераторами в электрическую, некоторые участки реки не могут быть использованы из-за затопления объектов и т. д. С учетом этого мощность используемого ГЭС участка реки

где – расход воды, используемый ГЭС для получения электроэнергии; – подведенный к турбинам напор, равный разности высот уровня воды верхнего и нижнего бьефов с учетом потерь в сооружениях; – КПД турбин и генераторов, зависит от мощности турбины, конструкции и диаметра рабочих колес, изменения напоров и примерно равен 0,89–0,95, = 0,92¸0,98; для крупных и средних гидроагрегатов и 0,78¸0,8 для малых, мощностью до 5 МВт.

Гидравлическое аккумулирование энергии. Гидроаккумулирующие станции (ГАЭС) в отличие от обычных ГЭС являются не только комплексом сооружений и оборудования для генерирования электроэнергии, но и потребителем для преобразования ее в потенциальную энергию поднятой воды.

Процессы потребления, преобразования и последующего генерирования электроэнергии, осуществляемые ГАЭС, называются гидроаккумулированием.

Работа ГАЭС заключается в смене двух режимов: накопления энергии или заряда и ее отдачи потребителям – разряда ГАЭС.

Заряд ГАЭС представляет собой подъем воды гидромашинами с электрическим приводом из нижнего в верхнее водохранилище (резервуар, бассейн). Это происходит во время снижения электропотребления (ночью, праздничные, выходные дни, сезонный интервал времени).

При разряде, происходящем в часы максимума нагрузки (или аварий на других ГЭС), потенциальная энергия поднятой воды преобразуется в электрическую.

Таким образом, гидроаккумуляторы работают при заряде как насосные станции, а при разряде – как ГЭС. Мощность турбинного, а также насосного режимов

,

где – мощность насосного режима, кВт; – подведенный напор, определяемый суммой статического напора и его гидравлических потерь; – кпд насосного режима; – подача воды, м3/с.

По возможности использования речного стока ГАЭС делятся на несовмещенные (рис. 9.2.3а), если источником заряда ГАЭС являются другие станции, и совмещенные с ГЭС станции (рис. 9.2.3б).

а б

Рис. 9.2.3. ГАЭС несовмещенного (а) и совмещенного (б) типов:

1 – верхний резервуар, 2 – напорный трубопровод, 3 – нижний резервуар, 4 – здание ГЭС

В местностях, бедных гидроресурсами и нуждающихся в пиковых мощностях, получили преимущественное распространение ГАЭС несовмещенного типа.

При рассмотрении преимуществ ГАЭС важное значение имеет КПД гидроаккумулирования, который равен отношению электроэнергии, полученной при разряде, к электроэнергии, расходуемой на заряд, т. е. потери энергии при ее преобразовании из электрической в механическую и потенциальную поднятой воды, а затем снова в электрическую. Для современных ГАЭС с крупными обратимыми агрегатами и одинаковой частотой вращения h = 73–75 %.

Приливные электростанции. Мировой энергопотенциал морского прилива – 1 млрд. кВт, что в 2,5 раза больше мощности всех ГЭС в мире. Но только 2 % считаются доступными при КПД 8–25 %.

Однако использование этой энергии затруднительно из-за пульсирующего, прерывистого характера. Графики изменения рассматриваемых уровней воды (мореограммы) в течение суток имеют синусоидальный характер.

Подъем и спад уровней сопровождается изменениями течения и расхода воды от моря к побережью и обратно, что определяет гидравлическую энергию приливов и отливов.

Преобразование этой энергии в электрическую возможно на приливных станциях (ПЭС).

Схема ПЭС: суженный створ пролива или устья реки перегораживается путем сооружения здания станции, воспринимающей напор, и плотины. Образуется бассейн, куда при приливе поступает вода. Разность уровней воды в море и в бассейне обеспечивает работу гидротурбин.

Потенциальная мощность:

годовая выработка энергии:

где А – среднегодовая амплитуда приливов; F – площадь бассейна.

Схемы ПЭС могут быть одно- и многобассейновыми.

В однобассейновых схемах бассейн отгорожен от моря зданием ПЭС, воспринимающим напор, и плотиной. Режимы работы ПЭС могут быть следующими.

Односторонний режим: во время прилива бассейн заполняется водой через специальные отверстия в здании ПЭС, после чего они закрываются. Когда уровень моря снизится во время отлива, начинают работать турбины, пропуская воду из бассейна. Когда напор станет меньше минимального, турбины отключаются до следующего цикла. Схема проста, но использование потенциальной энергии составляет всего 22 %.

При режиме двустороннего действия турбин, с выработкой энергии во время прилива и наполнения бассейна и во время его опорожнения использование потенциальной энергии возрастает до 34 %.